基于忆阻器的传感器的制作方法

本发明涉及包括例如用于感测化学品种类的忆阻传感器元件的阵列的传感器。

背景技术：

已经提出使用单个忆阻器(对于“存储器-电阻器”的简称)作为气体传感器。通过从同一传感器或从不同的独立传感器进行多次测量，可以统计地减少测量误差。然而，通过从单个传感器进行多次测量不能确定测量的可靠性。从多个传感器进行冗余样品测量可以确保可靠性。

已经提出忆阻器的阵列作为数字存储器架构。然而，当充当传感器时读取这种阵列中的单个忆阻器元件的电阻是有问题的，因为忆阻元件典型地是双向导体(与传统的半导体存储器结构不同)。这种导电性质意味着存在“潜行路径”(即非预期的通过阵列的导电途径)，这可能导致错误地感测阵列中的所选择的忆阻元件的电阻。当器件用作存储器时，仅必须在可以具有极大地不同的电阻值以表示1和0的忆阻器的两个二进制状态之间进行区分；因此，潜行路径的存在较不成问题(尽管它可能仍然是问题，并且可能导致所存储的信息的最终降级)。然而，对于化学品感测测量，人们可能需要感测电阻值的连续态，并且因此，感测裕量因存在潜行路径而严重降级。潜行路径还限制最大阵列大小，因为在存在潜行路径时，随着阵列大小增加，读取裕量严重降级。

已经鉴于上述问题而设计本发明。

技术实现要素：

因此，本发明的一个方面提供一种传感器，包括：

多个传感器元件，其被布置成阵列，

其中，每个传感器元件是忆阻的，并且具有与对于待感测种类的暴露有关的电阻特性，并且

其中，所述传感器元件被布置为可连接的，使得至少一个传感器元件与至少一个其他传感器元件并联连接。

本发明的另一方面提供一种读取传感器的方法，其中，所述传感器包括被布置成阵列的多个传感器元件；并且每个传感器元件是忆阻的，并且具有与对于待感测种类的暴露有关的电阻特性，

其中，所述方法包括：连接所述传感器元件，使得至少一个传感器元件与至少一个其他传感器元件并联连接，

在从属权利要求中限定本发明的其他方面。

附图说明

现在将参考附图仅通过示例的方式描述本发明的实施例，其中：

图1是根据本发明的实施例的交叉开关阵列中的忆阻传感器元件的放大示意图；

图2示出用于不同气体浓度的本发明的实施例中使用的忆阻传感器元件的iv特性的图线；

图3是根据本发明的实施例的包括二维忆阻元件阵列的传感器的简化电路图；

图4是图3电路的示意性等效图；

图5是根据本发明另一实施例的包括二维忆阻元件阵列的传感器的简化电路图；

图6是根据本发明另一实施例的包括一维忆阻元件阵列的传感器的简化电路图；以及

图7是根据本发明的实施例的包括多个一维忆阻元件阵列的传感器的简化电路图，每个阵列用于感测不同的种类。

具体实施方式

忆阻器在本领域中据知为电阻随流过器件的电流而改变的器件。电阻具有最小值ron(开门电阻)和最大值roff(关门电阻)。电阻可以通过施加适当的电压或电流得以切换，并且是非易失性的(电阻值是“被记住的”)，使得忆阻器可以用作存储器元件。

忆阻器可以由例如以下各种材料制成：tio2(例如具有掺杂区域和未掺杂区域以及具有pt电极)；ag/ag5in5sb60te30/ta；ag-a-lsmo-pt(无定形亚锰酸盐薄膜中的ag纳米丝)；其他金属氧化物半导体，例如氧化铝、氧化铜、氧化硅、氧化锌、氧化钽、氧化铪；无定形钙钛矿氧化物(例如a-srtio3)；以及其他铁电和掺杂聚合物材料，并且还有氧化石墨烯。只要存在忆阻性质，本发明的实施例就不限于任何特定材料。充当忆阻器的部件在本文中描述为是忆阻性的。

本发明的一个实施例包括通过例如用于制造存储器芯片(集成电路，ic)的微电子中使用的光刻技术制造的高密度纳米级忆阻器阵列。该阵列使用由位于另一组并行纳米引线(wire)上的一组并行纳米引线构成的交叉开关架构得以构造，该另一组并行纳米引线垂直于第一组走向。忆阻器位于引线的每个交点处。行和列由并行的引线组(也称为数字电子存储器中的位线和字线)定义，并且每个忆阻器连接在一行与一列的引线之间。阵列中的每个忆阻器可以充当用于整个传感器器件的传感器元件。

图1示出阵列中在一个这样的交叉点处的一个忆阻器。顶部引线10沿垂直于底部引线12的一个方向走向，并且这些引线形成忆阻器14的电极，并且可以由例如铂制成。该实施例中的忆阻器14包括氧化钛的薄膜，其包括上部16和下部18，其间具有掺杂壁20。上部16是非化学计量的，例如tio2-x，并且下部是二氧化钛(tio2)。使得薄膜的上表面22暴露在顶部引线10的任一侧，以允许在待感测的环境与忆阻器14之间的容易交互。

忆阻器或芯片上的整个忆阻器阵列可以设置有加热器(未示出)，以将其温度升高到对于待感测的化学品种类必需的合适操作温度。加热器还可以将温度稳定到恒定值以用于一致的测量。

分子在氧化钛膜的表面22上的吸附产生忆阻器的电阻特性的改变。图2示出在本发明的实施例中使用的忆阻器的电流针对电压(iv)特性的图线。整体形状是具有高电阻状态(低梯度，近似200千欧)和低电阻状态(高梯度，近似100欧姆)的忆阻器的特性，并且可在两者之间切换。对于范围从0ppm到1000ppm的不同气体浓度，在图2中叠加成许多不同的图线，如所示出的那样。可以看出，气体浓度的存在改变忆阻器的电阻特性。以这种方式，忆阻器可以充当气体传感器元件。所使用的特定“特性”可以是单个值，例如，峰值电阻、或梯度、或高电阻与低电阻之间的差等；或可以是多个这样的值的组合。

可以通过各种方式感测或测量气体浓度，如条件规定的那样，例如通过以下方式：忆阻器的绝对电阻(在高电阻或低电阻状态或两者下)；高电阻对于低电阻的比率；峰值电流；微分电阻等。可以使用dc和/或ac技术并且在有或无偏置电压的情况下执行电阻特性测量。电阻值可以针对已知的气体浓度被校准，并且提供为用于传感器的查找表或方程式，以将电测量转换为气体浓度。

通常，目标化学品种类与忆阻器表面的交互作用导致电阻率的改变，并且引起关联读取电路(未示出)的输出的改变。关于忆阻器的材料(例如上述氧化物并且还有聚合物或卟啉)的选取意味着可以选择传感器的目标种类和灵敏度模式。也可以使得忆阻器选择性地仅感测一个种类或一组特定种类，而不是其他种类。例如，体现本发明的传感器可用以检测挥发性化合物和气体，例如，氮氧化物、一氧化碳、醇、胺、萜烯、烃、或酮、和/或各种不同的气体(氧化或还原))。尽管上述实施例指代气相中的感测种类，但这对本发明并非必要的；本发明的实施例还可以用以感测液体或液体中的种类(例如hg、ca、pb、cr的离子)，并且用作生物传感器(例如，用于感测农药、特定蛋白质、氨基酸或dna)。本文所描述的传感器的结构和测量技术原则上可以用在其他实施例中，以感测物理性质而不是化学品种类；例如，作为用于感测温度的热敏电阻，或作为用于感测光的光电导体等。

图3示出根据本发明的实施例的交叉开关阵列传感器的电路。阵列为n×m，具有列引线x1、x2、......xn和行引线y1、y2、......ym。跨每个行/列交点而连接有忆阻器。在该实施例中，通过将读取电压v读取连接到相关行，并且在对应列引线与地之间连接负载电阻rl，选择待读取以用于感测的一个特定忆阻器(在此情况下，在x1，y1处，但它可以是阵列中的任何一个)。然而，如图3可见，除了简单地通过x1，y1处的所选择的忆阻器的传导之外，经由其他忆阻器(因为它们可以沿任一方向传导)，在施加v读取的端子与负载电阻器rl之间存在多种潜行路径。当结合图3考虑时，在图4所示的等效电路中对此进行分析。所选择的忆阻器30a由具有电阻rx1y1的电阻器30表示。潜行路径电阻与电阻器30是并联的，并且包括串联的三个部件：(i)连接到行y1的忆阻器的电阻32(图3中在虚线框32a中示出)；(ii)在框34a中示出的忆阻器网的电阻34；(iii)连接到列x1的忆阻器的电阻36(图3中在虚线框36a中示出)。如果所有未选择的忆阻器具有相同的电阻r，则电阻32是并联的n-1个忆阻器，即电阻34是并且电阻36是总潜行路径电阻r潜行是串联的这三个电阻32、34、36之和：

并且v读取与固定负载电阻rl之间的阵列的总电阻是所选择的忆阻器和其余阵列潜行路径的并联组合：

r总＝rx1y1||r潜行

因为该总电阻r总和负载电阻rl形成分压器，所以获知负载电阻值rl和v读取的值，可以通过测量端子处的电压v输出(vout)确定r总值(或等效地，可以通过改变v读取获得阵列的整个iv特性)。

因为值r总从单个点在单个读取周期中捕获关于阵列中所有忆阻器的信息，所以可用以确定正感测的种类的浓度。通过这种方式，实际上借助于潜行路径电阻以有助于感测。该结构利用潜行路径，并且将整个阵列用作单个传感器。

在该实施例中，未选择的行和列引线通过连接部40短路。这可以有助于确保电流仅具有对阵列的一个入口和出口的点。优选地，这些连接部40是可选地通过开关或开关部件的直接连接(例如低电阻布线路径)。在理想电路中，这些未选择的行和列处于相同的电势，所以连接部40是不必要的，但在实际的非常大的阵列中，这些连接部可以有助于均匀地分配电流。

通常，阵列中的忆阻器都设置为相同的状态(高电阻或低电阻)，但情况未必如此。例如，可以将“所选择的”忆阻器设置为与阵列的其余部分处于不同的状态。每个忆阻器是可单独寻址的。

可以每次使用不同的所选择的忆阻器执行一系列测量，以改进测量精度并且确认测量可靠性。所选择的忆阻器可以在阵列中按随机序列被选取，或可以按系统性的序列循环。

如果获得不一致的测量，则这可能表明所选择的用于该测量的忆阻器有故障。在此情况下，可以通过不进行特定连接40和/或通过将特定相邻忆阻器设置为高电阻状态来取消选择特定的行或列或忆阻器。

在所有实施例中，用于寻址阵列(例如，将电压v读取施加到期望的行或列，连接负载电阻rl)以及用于在行与列引线之间进行连接40并且提供v输出感测端子的电路可以是硬连线的，但优选地都是用集成在芯片上(例如，在外围周围)的逻辑电路制成的，如与存储器芯片有关的领域中所知的那样。

图5中示出可替选实施例。在此情况下，所有列引线通过连接部50彼此连接，并且所有行引线通过连接部52彼此连接。这意味着阵列中的所有忆阻器简单地彼此并联，并且因此总电阻r总是(假设所有忆阻器都具有电阻r)。

图6中示出另一实施例，其包括一维忆阻器阵列(1×n阵列)。在此情况下，所有列引线连接到负载电阻rl所连接到的输出线，使得忆阻器简单地并联布置。

通过提供多个一维阵列在另一实施例中可以扩展图6的结构。这可以通过连接如图7所示的二维阵列实现，使得在该示例中列引线一起被短路，但行引线是分离的，并且可以具有独立地施加到每个的读取电压。在优选变型中，每个一维阵列对不同的目标种类(例如待感测的气体中的成分)是敏感的；这可以通过对该阵列的忆阻器或与阵列关联的结构进行物理或化学修改实现。行具有各自的电阻r1、r2、......rm。向端子gc1施加读取电压使得能够感测第一种类的浓度，并且对端子gc2至gcm依次重复该过程以感测其他种类。并非所有的行必须适用于感测独特的种类；可以复制一些行以提供对相同种类的多个读取。尽管在此示例中一维阵列示出为行，但它们可以等效地被配置为列。

所有上述实施例可以包括控制电路(未示出)以：施加所需电压、进行必要连接、测量输出并且提供感测功能(例如，将电测量转换为气体浓度值)。控制电路可以是专用逻辑和硬件，和/或可以包括通用电路(例如运行合适软件的微处理器)。

本发明的实施例可以例如在微电子芯片上利用高密度的忆阻传感器元件阵列。阵列可以包括数十或数百个元件，但也可以大得多(例如1024×1024个元件或甚至更多)。这使得传感器紧凑、鲁棒并且低功耗。传感器特别适用于便携式设备中，例如，集成到智能手机、平板电脑或手持式传感器中。